分布式光纖監(jiān)測(cè)在阜陽(yáng)地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

魏坤

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站， 安徽合肥 230001）

分布式光纖監(jiān)測(cè)在阜陽(yáng)地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

魏坤

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站， 安徽合肥 230001）

分布式光纖監(jiān)測(cè)是利用光纖作為傳感介質(zhì)，采用先進(jìn)的OTDR技術(shù)，探測(cè)出沿光纖不同位置土層的應(yīng)變情況，實(shí)現(xiàn)真正分布式測(cè)量。阜陽(yáng)地面沉降是由于過(guò)量抽汲阜陽(yáng)城區(qū)地下水引起水位下降，在正常固結(jié)和超固結(jié)［1］土層分布區(qū)，由土層固結(jié)壓密而造成的大面積地面下沉現(xiàn)象。省地質(zhì)測(cè)繪院、阜陽(yáng)市測(cè)繪院、安徽省地質(zhì)調(diào)查研究院在該區(qū)域進(jìn)行大量的高程測(cè)量工作，僅查明了地面沉降范圍及垂直沉降量，但對(duì)地面沉降的形成機(jī)理，各壓縮層的變化量缺少統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。采用分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)能準(zhǔn)確測(cè)出各壓縮層的變化關(guān)系，為阜陽(yáng)地面沉降防治研究提供科學(xué)依據(jù)。

分布式光纖監(jiān)測(cè)；地面沉降；監(jiān)測(cè)與應(yīng)用

1 阜陽(yáng)地面沉降概況

阜陽(yáng)市地面沉降的特征表現(xiàn)為隨中、深層地下水開(kāi)采量的增加而逐步形成和發(fā)展，為一動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。20世紀(jì)60年代以前，因地下水開(kāi)采量較小，地面未見(jiàn)變形。在20世紀(jì)70年代，地面沉降量不足100mm；進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨深層地下水開(kāi)采量急劇增加，地面沉降范圍也擴(kuò)大了7倍多［2］。1980年至1990年的10年間，地面沉降范圍已超出阜陽(yáng)市區(qū)，據(jù)水準(zhǔn)測(cè)量資料，市區(qū)地面沉降形態(tài)為一近橢圓形淺漏斗，長(zhǎng)軸為北西—南東向，約25km，短軸為北東—南西向，約21.2km，最大沉降范圍410km2，沉降大于100mm的范圍為162km2。1980-1990年累積最大沉降量為817.6mm，沉降速率73.39mm/ a，1990-1995年累積沉降量127.40mm，沉降速率25.48mm/a，1995-2001年累積沉降量220mm，沉降速率36.7mm/a。1999年沉降中心最大累計(jì)沉降量仍然達(dá)到了1347.4mm，2002年進(jìn)而達(dá)到1501.8mm， 2012年底根據(jù)水準(zhǔn)測(cè)量，市區(qū)地面沉降形態(tài)為一近橢圓形淺漏斗，漏斗面積約為1200km2，地面沉降的范圍為715km2，累計(jì)最大沉降量接近1600mm，沉降速率約為10mm/a。

2 光纖孔基本概況

阜陽(yáng)地面沉降分布式光纖監(jiān)測(cè)孔于2013年12月22日完成，鉆孔回填材料為黃豆沙和“瓜子片”石子混合物。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，由于鉆孔底部沉渣，鉆孔內(nèi)光纖布設(shè)實(shí)際深度為330m。鉆孔內(nèi)光纜綁扎于鉆機(jī)上，待鉆孔內(nèi)回填巖土體沉降固結(jié)穩(wěn)定后，在其上砌筑監(jiān)測(cè)墩，建立光纖監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3 光纖傳感器布設(shè)安裝

鉆孔內(nèi)布設(shè)有四根光纜和兩個(gè)滲壓計(jì)。四根光纜中一根光纜為滲壓計(jì)引線，另外三根為分布式感測(cè)光纜，分別是20m雙芯定點(diǎn)光纜、地層單芯定點(diǎn)光纜、鋼絞線光纜。定點(diǎn)光纜為局部定點(diǎn)固定全程松套光纜，具有兩相鄰定點(diǎn)間光纜拉伸壓縮應(yīng)變均一分布特性。鋼絞線光纜為緊包光纜，應(yīng)變傳遞特性好，可實(shí)現(xiàn)地層內(nèi)壓縮拉伸區(qū)域精準(zhǔn)定位。

4 數(shù)據(jù)采集與分析

于2014年2月13日，進(jìn)行第一次數(shù)據(jù)采集。又于2014年4月23日、2014年7月10日、2014年10月5日和2014年12月10日，分別進(jìn)行了四次數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過(guò)五期測(cè)試，發(fā)現(xiàn)布設(shè)的兩個(gè)滲壓計(jì)無(wú)法測(cè)試到信號(hào)，初步判定引線斷裂，斷裂深度約為140m。通過(guò)對(duì)比前三期數(shù)據(jù)可知：自2月13日到4月23日以來(lái)，兩期光纜應(yīng)變數(shù)據(jù)整體保持一致，差值在±50με范圍內(nèi)波動(dòng)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，儀器測(cè)量誤差在±100με以內(nèi)。因而可以判斷，自2014年2月13日起，鉆孔內(nèi)回填巖土體沉降固結(jié)穩(wěn)定，判定鉆孔巖土體穩(wěn)定，開(kāi)始監(jiān)測(cè)工作。并可選取2014年2月13日采集數(shù)據(jù)作為初始值，開(kāi)始正常監(jiān)測(cè)。項(xiàng)目具體施工與監(jiān)測(cè)見(jiàn)表1。

將前五期數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)齊，截取有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)平滑，進(jìn)行差值處理后，可以得到圖1所示光纜測(cè)試綜合成果圖。圖中各光纜應(yīng)變數(shù)據(jù)為，自2014年2月13日到2014年12月10日以來(lái)，鉆孔周圍巖土體累計(jì)變形應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖中負(fù)應(yīng)變表示自2014年2月13日到監(jiān)測(cè)期時(shí)間內(nèi)，地層呈現(xiàn)壓縮狀態(tài)；正應(yīng)變表示自2014年2月13日到監(jiān)測(cè)期時(shí)間內(nèi)，地層呈現(xiàn)拉伸狀態(tài)。

圖1 光纜測(cè)試綜合成果圖Fig. 1 Optical fiber measurement and test integrative results

對(duì)比分析三根光纜監(jiān)測(cè)數(shù)可知，地層深度84.5～200m范圍內(nèi)，鉆孔周圍巖土體發(fā)生明顯的變形，

整體呈現(xiàn)壓縮變形，局部為拉伸變形。其壓縮變形較為微小，壓縮應(yīng)變整體小于-500με。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和圖可知，光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在0～12m深度范圍內(nèi)由正向應(yīng)變急劇減小為負(fù)向應(yīng)變。這段范圍深度為光纜應(yīng)變過(guò)渡段，受淺表地層受氣候溫度變化影響和鉆孔淺表回填巖土體壓縮固結(jié)影響而產(chǎn)生。而從圖和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在地層定點(diǎn)光纜和20m定點(diǎn)光纜監(jiān)測(cè)曲線上，在約12～25m深度處監(jiān)測(cè)到較大壓縮應(yīng)變情況；鋼絞線光纜在該深度范圍內(nèi)基本保持。這表明該區(qū)域壓縮變形較小，而地層定點(diǎn)光纜和20m定點(diǎn)光纜測(cè)試到壓縮變形，主要是由于定點(diǎn)光纜成纜工藝與鋼絞線光纜不同，定點(diǎn)光纜為半松套光纜，在該層位深度內(nèi)無(wú)定點(diǎn)單元限制，導(dǎo)致光纜纖芯受自身重力自由變形而產(chǎn)生較大的壓縮。鋼絞線光纜為緊包光纜，應(yīng)變傳遞特性較好，直接反應(yīng)了巖土體壓縮變形區(qū)域。

表2 兩處重要層位監(jiān)測(cè)位移變化數(shù)據(jù)表Table 2 Displacement change data monitored from two important layers

自2014年2月13日到2014年12月10日以來(lái)，監(jiān)測(cè)到巖土體主要在84.5～200m深度范圍內(nèi)產(chǎn)生壓縮或者拉伸變形。在84.5～200m深度范圍內(nèi)，巖土體主要產(chǎn)生壓縮變形。由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，2014年4月23日、2014年7月10日、2014年10月5日三個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)變形量增加相對(duì)較快；而后一個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)（2014年10月5日到2014年12月10日）變形量增加相對(duì)較慢。由于缺少相應(yīng)層位的滲水壓力測(cè)試數(shù)據(jù)，暫時(shí)無(wú)法判定其變形產(chǎn)生原因。對(duì)84.5～200m深度處巖土體變形進(jìn)行積分運(yùn)算，測(cè)算得到總體的位移變形大小，具體見(jiàn)表2所示。84.5～200m范圍巖土體為主要監(jiān)測(cè)層位，整體呈現(xiàn)壓縮狀態(tài)。截至2014年12月10日，該段地層內(nèi)累計(jì)沉降量為10.159mm（取三根光纜測(cè)試平均值）。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)前三期測(cè)試數(shù)據(jù)可知，巖土體主要變形區(qū)為84.5～200m深度范圍，該段地層內(nèi)累計(jì)沉降量約為10.159mm（取三根光纜測(cè)試平均值），與前期水準(zhǔn)儀測(cè)量10mm/a基本吻合，分布式光纖監(jiān)測(cè)在阜陽(yáng)地面沉降中作為監(jiān)測(cè)工作基本可靠。此深度區(qū)域?yàn)橹饕冃螀^(qū)域，為主要監(jiān)測(cè)層位。在該變形區(qū)域，巖土體主要呈現(xiàn)壓縮狀態(tài)，并且不斷壓縮變形，其壓縮變形不斷增大。前五期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)只能反映一個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的巖土體狀態(tài)，待采集到更多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，巖土體變化規(guī)律更明顯，更具有客觀性。

［1］ 王秀艷，張?jiān)?滲透釋水規(guī)律在深層粘性土變形沉降預(yù)測(cè)中的作用［J］.地理與地理信息科學(xué)，2003，19（06）.

［2］ 楊則東.安徽省阜陽(yáng)市地下水開(kāi)采利用現(xiàn)狀及其引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題［J］.安徽地質(zhì)，2007，17（2）：138.

［3］ 郭榮 ，陳偉，李琴，阜陽(yáng)市地面沉降研究和防治的若干問(wèn)題［J］.安徽地質(zhì)，2010，20（ 4 ）：300.

APPLICATION OF DISTRIBUTED OPTICAL FIBER IN MONITORING OF GROUND SUBSIDENCE IN FUYANG

WEI Kun
（Geoenvironment Monitoring Station of Anhui Protection， Hefei， Anhui 230001， China）

∶ Distributed optical fiber monitoring is that optical fiber is used as sensing medium， along with advanced OTDR technology to detect strain of soil layer at different location along the fiber， achieving real distributed surveying. Ground subsidence in Fuyang is resulted from excessive depletion of groundwater in the urban area of Fuyang City that leads to water level drop， and consolidation and compaction of soil layer in a large area in the normal consolidation and overconsolidation［1］ soil layer zone. Geological Surveying Institute of Anhui Province， Surveying Institute of Fuyang City and Institute of Geological Survey of Anhui Province made a great deal of elevation surveying work in the area， only found out the scope of ground subsidence and vertical settlement， and disagreed on the formation mechanism and change in each compression layer. Distributed optical fiber monitoring can accurately measure the change of each compression layer providing scientific basis for prevention and treatment of ground subsidence in Fuyang.

∶ distributed optical fiber monitoring； ground subsidence； monitoring and application

P642.26；TN913.7

A

2016-01-05

魏坤（1970-），男，安徽蚌埠人，工程師，現(xiàn)主要從事地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)工作。

1005-6157（2016）02-0135-3